화학 결합의 전기적 성질
(1) 이온 결합의 전기적 성질
① 이온 결합 물질：염화 나트륨(NaCl), 플루오린화 칼륨(KF)과 같이 이온으로 구성된 물질은 서로 다른 전하를 띤 이온들이 정전기적 인력에 의해 단단히 결합을 하고 있어 상온에서 대부분 고체 상태이다.
② 전기 전도성：이온 결합 물질은 고체 상태에서 이온들이 단단히 결합하고 있어서 자유롭게이동하지 못하므로 전류가 흐르지 않지만, 액체 상태나 수용액 상태에서는 이온들이 자유롭게 움직일 수 있으므로 전압을 걸어 주면 양이온은 (-)극으로, 음이온은 (+)극으로 이동하여 전류가 흐른다.
예) 염화 나트륨(NaCl)
③ 이온 결합과 전자：이온 결합 물질의 용융액에 전류를 흘려주었을 때 성분 원소로 분해되는 것으로 보아 이온 결합이 형성될 때 전자가 관여한다는 것을 알 수 있다.
(2) 공유 결합의 전기적 성질
① 공유 결합 물질：물(H2O), 이산화 탄소(CO2), 설탕(C12H22O11)과 같이 비금속 원소로 구성된 화합물이나 흑연(C), 다이아몬드(C)와 같이 1가지 비금속 원소로 이루어진 순물질은 원자 사이에 전자쌍을 공유하는 공유 결합으로 형성된다.
② 전기 전도성：공유 결합 물질에는 자유롭게 이동할 수 있는 이온이나 전자가 없으므로 고체 상태나 액체 상태에서 전기 전도성이 없다(단, 흑연(C)은 예외).
③ 물의 전기 분해：물에 황산 나트륨(Na2SO4)과 같은 전해질을 소량 넣고 전기 분해하면 (-)극에서는 수소 기체, (+)극에서는 산소 기체가 발생한다.
④ 공유 결합과 전자：공유 결합 물질인 물에 전류를 흘려주면 성분 원소로 분해되는 것으로 보아 공유 결합이 형성될 때 전자가 관여한다는 것을 알 수 있다.
(3) 화학 결합과 옥텟 규칙
① 비활성 기체의 전자 배치：18족 원소인 비활성 기체는 바닥상태에서 가장 바깥 전자 껍질에 8개의 전자가 배치되어 있다(단, He은 2개).
② 옥텟 규칙：18족 원소 이외의 원자들이 전자를 잃거나 얻어서 또는 전자를 공유함으로써 비활성 기체와 같이 가장 바깥 전자 껍질에 8개의 전자를 채워 안정한 전자 배치를 가지려는 경향을 뜻한다.
③ 18족 원소 이외의 원자들은 화학 결합을 통해 18족 원소와 같은 전자 배치를 이루려고 한다. 따라서 옥텟 규칙은 이온의 형성이나 공유 결합의 형성을 이해하는 데 매우 유용하다.
이온 결합
(1) 양이온의 형성：원자가 전자를 잃어 양이온이 된다.
예) 나트륨 이온(Na+)：11개의 전자를 갖는 나트륨 원자가 가장 바깥 전자 껍질의 전자 1개를 잃어서 형성되므로 10개의 전자를 가지며, 비활성 기체인 네온(Ne)과 같은 전자 배치를 갖는다.
(2) 음이온의 형성：원자가 전자를 얻어 음이온이 된다.
예) 염화 이온(Cl–)：17개의 전자를 갖는 염소 원자가 가장 바깥 전자 껍질에 전자 1개를 얻어서 형성되므로 18개의 전자를 가지며, 비활성 기체인 아르곤(Ar)과 같은 전자 배치를 갖는다.
(3) 이온 결합의 형성
① 이온 결합：양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력에 의해 형성되는 결합이다.
② 이온 결합의 형성：이온 결합은 주로 양이온이 되기 쉬운 금속 원소와 음이온이 되기 쉬운 비금속 원소 사이에 형성된다.
예) 염화 나트륨의 생성：나트륨과 염소가 반응할 때 형성되는 나트륨 이온과 염화 이온이 정전기적 인력에 의해 결합하여 생성된다.
(4) 이온 사이의 거리에 따른 에너지：양이온과 음이온 사이의 거리가 가까워질수록 두 이온사이에 작용하는 정전기적 인력은 증가하고 에너지가 낮아져 안정한 상태가 되지만, 두 이온이 계속 접근하여 거리가 너무 가까워지면 이온 사이의 반발력이 커지므로 에너지가 높아져 불안정한 상태가 된다. 따라서 양이온과 음이온은 인력과 반발력의 합이 최저가 되는 거리에서 이온 결합을 형성한다.
(5) 이온 결합 물질의 화학식과 이름
① 이온의 이름과 이온식
- 간단한 양이온은 원소 이름 뒤에 ‘~ 이온’을 붙여서 부른다. 구리처럼 두 종류 이상의 이온
이 존재하면 로마 숫자를 이용하여 구별한다.
예 Na+：나트륨 이온, Cu+：구리(Ⅰ) 이온, Cu2+：구리(Ⅱ) 이온
- 간단한 음이온은 원소 이름 뒤에 ‘~화 이온’을 붙여서 부른다. 원래 원소 이름에 ‘~소’가 있는 경우 ‘소’를 생략한다.
예) I–：아이오딘화 이온, Cl–：염화 이온
② 이온 결합 물질의 화학식：양이온의 총 전하량의 크기와 음이온의 총 전하량의 크기가 같아서 화합물이 전기적으로 중성이 되는 이온 수비로 양이온과 음이온이 결합한다.
An+과 Bm-에 의해 형성되는 화합물의 화학식은 AxBy(x : y=m : n)이다. 일반적으로 양이온의 원소 기호를 앞에 쓰고, 음이온의 원소 기호를 뒤에 쓴다.
예)
- 나트륨 이온(Na+)과 염화 이온(Cl–)이 결합하여 생성되는 염화 나트륨은 양이온과 음이온이 1 : 1의 개수비로 결합하므로 화학식은 NaCl이다.
- 칼슘 이온(Ca2+)과 염화 이온(Cl–)이 결합하여 생성되는 염화 칼슘은 양이온과 음이온이 1 : 2의 개수비로 결합하므로 화학식은 CaCl2이다.
③ 이온 결합 물질의 명명법：음이온의 이름을 먼저 읽고, 양이온의 이름을 나중에 읽되 ‘이온’은 생략한다.
④ 이온 결합 물질의 구조：이온 결합 물질은 단지 1쌍의 양이온과 음이온만 결합하여 존재하는 것이 아니고, 많은 양이온과 음이온들이 정전기적 인력에 의해 이온 결합을 형성하여 삼차원적으로 서로를 둘러싸며 규칙적으로 배열된 이온 결정으로 존재한다.
(6) 이온 결합 물질의 성질
① 물에 대한 용해성：대부분의 이온 결합 물질은 물에 잘 녹는다. 고체 염화 나트륨이 물에 녹으면 나트륨 이온(Na+)과 염화 이온(Cl–)이 각각 물 분자에 의해 둘러싸여 안정한 상태로존재하게 된다.
② 결정의 부서짐：이온 결합 물질에 힘을 가하면 이온의 층이 밀리면서 두 층의 경계면에서 같은 전하를 띤 이온들 사이의 반발력이 작용하여 쉽게 부서진다.
③ 전기 전도성：이온 결합 물질은 고체 상태에서는 이온들이 자유롭게 이동할 수 없으므로 전류가 흐르지 않는다. 그러나 액체 상태나 수용액 상태에서는 양이온과 음이온이 자유롭게 이동하여 전하를 운반할 수 있기 때문에 전류가 흐른다.
④ 녹는점과 끓는점：이온 결합 물질은 양이온과 음이온 사이에 강한 정전기적 인력이 작용하기 때문에 녹는점과 끓는점이 높은 편이다. 이온 사이의 거리가 가까울수록, 이온의 전하량이 클수록 녹는점과 끓는점은 높아진다.
참고자료: EBS 수능 특강 화학1
